基于振動-超聲法測量肌肉硬度

王叢知，鄭永平

香港理工大學 醫療科技及資訊學系，香港

基于振動-超聲法測量肌肉硬度

王叢知，鄭永平

香港理工大學 醫療科技及資訊學系，香港

現有的各種研究肌肉硬度的方法有其各自的優點和局限性。在過去的此類研究中，很少使用肌肉最大自主收縮（Maximum Voluntary Contraction，MVC）扭矩的百分比來表達相對收縮水平，而且缺少高收縮水平（40% MVC以上）下測量肌肉硬度的手段。本文采用了一種基于振動-超聲法測量剪切波波速，繼而計算肌肉剪切模量的新方法，解決了高收縮水平下肌肉硬度的測量問題。我們以右腿股中間肌為目標，測量了從0%～100% MVC共11個不同等長收縮水平下的肌肉剪切模量。兩組年輕的健康男性和女性受試者（各10名）自愿參加了本次研究。研究結果表明，股中間肌沿肌纖維方向的剪切模量，與肌肉的相對收縮水平正相關，它們之間的擬合結果接近二次多項式關系。在相同的相對收縮水平下，男性的肌肉硬度大于女性。

骨骼肌；軟組織硬度；剪切模量；等長收縮；超聲；聲肌圖

1 研究背景

骨骼肌的硬度，作為可以同時在主動收縮和被動拉伸情況下被測量的肌肉屬性，已經被證明對于肌肉的工作效率起 著非常重要的作 用[1]。肌肉硬 度會在某些生理 動作，如自主收縮，或某些病理條件，如痙攣，抽搐和水腫等情況下發生變化。因此，量化的肌肉硬度測量有助于增進對骨骼肌的功能的了解。目前，已經有多種方法被用于肌肉硬度測量。

觸診是一種被廣泛用于臨床檢測組織硬度變化的方法。模仿觸診而開發的定量硬度測量設備很早就已出現[2]。例如，軟 組 織 超 聲 觸 診 系 統（Tissue Ultrasound Palpation System，TUPS），包括一個由超聲換能器和精密壓力傳感器串聯而成的手持探頭，被測組織的硬度由壓力與形變線性關系的斜率以及相應的數學模型確定[3]。雖然這類設備在實用中表現出不錯的可靠性，但并不適用于較深的肌肉組織。

一些基于超聲的方法也被用于測量組織硬度，比如超聲彈性成像（Elastography），通過施加一個緩慢和小幅度的壓縮過程，得到表示組織應變的二維圖像[4]。這種方法對于檢測正常組織內的小塊病變十分有效，但它并不是一個定量的測量方法。對于彌漫性病變引起的組織硬度變化，需要直接測量組織的彈性系數，比如楊氏彈性模量或者剪切彈性模量，以確定病變的程度。

理論上，對于各向同性的胡克彈性材料，剪切模量μ是與剪切波速 c相關的 ：

其中，ρ是彈性材料的密度。因此，測量某個頻率的剪切波波速可以計算出相應的剪切模量。而剪切波速可以由沿著傳播方向的兩點間的距離除以傳播時間，或者由二維應變圖像中波長來計算[5]。

Sonoelastography 方法使用低頻的機械振動來產生剪切波，并利用多普勒原理對組織的應變成像。這一方法被用于測量股四頭肌的硬度，并且證明了肌肉剪切模量與主動收縮水平具有正相關性[6]。然而，Sonoelastography 需要很長的數據采集時間，容易導致肌肉疲勞。因此，它并不適合高收縮水平下的肌肉硬度測量。

與 之 相 反， 瞬 時彈 性 成像 法（Transient Elastography）的測量幾乎可以實時完成。它是將一個一維超聲波換能器串聯在振動頭上，所以其波速測量方向是與振動方向一致的，也就是垂直于組織表面的[7]。這一方法曾被用來測量肱二頭肌和腓腸肌的肌肉硬度，并且證明了在垂直于肌纖維的方向上，肌肉硬度也與其收縮水平正相關。目前，瞬時彈性成像法已經被擴展到二維平面上，被稱為超音波剪切成像法（Supersonic Shear Imaging）[8]。它在測量硬度的同時，還可以利用頻散曲線估測組織的粘度。但是，這種技術需要超聲成像設備具有很高的幀頻（最高達 10000 幀 /s），這在現有的商用超聲成像設備上很難實現。同時，由于成像范圍以及幀頻的限制，它在測量超過 100kPa的硬度時會飽和，所以依然不足以測量高收縮水平下的肌肉硬度。

另一種被稱為剪切波離散度超聲測量計（Shear-wave Dispersion Ultrasound Vibrometry，SDUV)的技術則被用來測量垂直于振動方向上的組織硬度[9]。它使用一道聚焦超聲波束在一定深度的組織內產生剪切波，同時使用另一道探測波束，在臨近位置探測剪切波的傳播情況。剪切波速由兩道超聲波束的距離除以剪切波傳播的時間得出。該技術已經在離體測量中得到驗證，但在使用普通超聲設備同時產生聚焦波束和探測波束的嘗試中并不成功，原因是聚焦波束受到輻射能量的限制，無法在較深的組織中產生足夠幅度的剪切波。

磁共振彈性成像技術（Magnetic Resonance Elastography, MRE）是一種基于相位對比的磁共振成像技術，可以探測組織中微小幅度的剪切波傳播[5]。相對于超聲，MRE 在穿透深度上沒有任何限制，而且可以提供高分辨率的圖像。但是，除了成本較高外，MRE完成一次數據采集也需要較長的時間（大約 1～3min），這極大地限制了其在測量高收縮水平下肌肉硬度中的應用。

如上所述，此前的研究已經初步驗證了肌肉硬度與收縮水平之間的正相關關系。但是，在這些研究中大都使用固定的的重量負荷來表示肌肉的收縮水平，比如懸掛1～10kg 的重物。事實上，不同的人肌肉力量是不同的，從個人的相對肌肉收縮水平角度研究，可以使不同人的肌肉硬度情況更容易比較。一個比較常用的表示肌肉相對收縮水平的方法是使用最大自主收縮力矩的百分比（% MVC）。這一方法曾被與 MRE技術一起使用，但是只能在低于20% MVC 的水平上得到可靠的結果。在較高的 % MVC 水平上，由于較長的采集時間造成了肌肉的疲勞，應變圖像的信噪比（S/N）大大降低。而使用基于超聲的方法時，測量范圍也沒有超過 40% MVC。為了克服現有方法在測量高收縮水平下肌肉硬度的局限性，本研究使用了一種新開發的基于超聲回波測量剪切波速的方法，以健康男女青年為實驗對象，測量了的其股中間肌的剪切模量，并確定了從 0% MVC 到 100% MVC，11 個不同的等長收縮水平與肌肉剪切模量之間的關系。

2 方法

2.1 實驗對象

10 名健康的年輕男性受試者和 10 名健康的年輕女性受試者自愿參加了本次研究。他們被要求保證大腿肌肉和膝關節最近沒有受過傷。所有受試者都簽署了由大學倫理委員會批準的“參加實驗同意書”。

2.2 實驗設備

膝關節伸肌等長收縮下的扭矩由 HUMAC NORM 康復訓練系統（Computer Sports Medicine, Inc., USA）測量。一個由函數信號發生器控制的電磁振動器 minishaker type 4810（Brüel & Kj?r, Denmark）被用來產生剪切波。振動器在大腿表面以低頻率的正弦波方式（頻率 100Hz，10 個周期為一個序列）振動。它的最大力量為 10N，最大峰值位移為6mm。這意味著它產生的振動對人體是非常安全的。

剪切波探測系統是基于一臺可編程的商用超聲成像設備 SonixRP（Ultrasonix Medical Corp., Canada） 開 發 的， 使用 5～14MHz線陣列探頭。我們通過對探頭上某個位置的超聲換能器單獨編程，實現了一個特殊的的掃描序列。首先，連續采集包含 256 條掃描線的普通 B 型超聲圖像（寬度38mm，深度根據需要設定，本次實驗中為 65mm），用來輔助探頭定位，直到圖像上股直肌，股中間肌和股骨可以被很容易地分辨出來。然后，只有兩條預先選定的掃描線被保留，它們之間的距離為 15mm。這樣做的目的是為了盡可能的提高幀頻，以提高測量時間延遲的分辨率。最終在65mm 的深度，幀頻可以被提高到大約 4.6kHz。同時，較大的剪切波傳輸距離，也使可測波速的范圍大大增加，可以滿足高收縮水平下測量肌肉剪切模量的需要。超聲回波信號的采樣頻率為 40MHz。振動器和超聲采集設備由外部觸發信號同步。數據存儲在 SonixRP 的硬盤上，之后再轉到計算機上作進一步分析。

2.3 實驗步驟

受試者坐在 HUMAC NORM 康復系統的坐椅上，右腳踝部用束帶與扭矩測量機械臂固定，并將機械臂的旋轉軸位置調整到與膝關節的旋轉軸位置一致。膝關節角度為90°（關節完全伸展時為 0°）。如圖1 所示，超聲探頭和振動器被放置在從膝蓋關節向上約 2/3 大腿長度的肌腹上。通過調整支架高度，使接觸位置上的壓力保持適中，避免肌肉由于受壓變形而造成剪切模量明顯改變。在測試過程中，100% MVC 時的扭矩數值被首先確定，即保持等長收縮 5s的情況下能達到的最大扭矩值。接下來，測量 5 次放松情況下的肌肉硬度，同時也給受試者大約 5min 的休息時間，避免肌肉疲勞的出現。最后，受試者被要求在不同的水平下保持等長收縮大約 4s，從 10% ～100% MVC，共 10個級別，每個級別測量 3 次，2 次測量間有大約 1min 休息時間。

圖1 振動器和超聲探頭在實驗中放置的位置

2.4 數據處理

MATLAB（The Mathworks, USA） 被 用 來 對 采 集 的 超聲數據做進一步處理。使用一種改進的互相關方法，從超聲回波射頻信號中可以得到剪切波在各個不同深度的組織中引起的應變波形。為了提高應變波形的空間分辨率，我們對互相關結果中最大值附近的三個點進行了拋物線擬合，再對擬合曲線進行插值并選擇插值后的最大值位置作為最終結果，使空間分辨率達到了 0.2μm 的水平。同樣的技術也被用來提高時間分辨率，使其對應的虛擬幀頻達到460kHz的水平，進一步增加了測量精度。在這項研究中，股直肌下面股中間肌靠近筋膜的部分被選為感興趣區域（Region Of Interest, ROI）。在 ROI 深度上，采自兩個位置的波形之間的時間延遲均值被用來計算剪切波速。再使用公式（1），計算出沿肌纖維方向的肌肉剪切模量，公式中的肌肉密度值被估算為 1000 kg/m3。對測得的剪切模量數值，我們計算了其與肌肉相對收縮水平（% MVC）之間的相關系數 Pr，并通過回歸分析確定了它們之間的近似代數表達式，計算了確定系數 R2。我們還使用 multi-way ANOVA 方法分析了性別因素和 % MVC 因素對結果的影響。所有統計分析都使用 SPSS（SPSS Inc., USA)軟件完成。統計顯著性的置信水平被設為 0.05。

3 結果

如圖2所示，沿肌纖維方向，股中間肌的剪切模量與其相對等長收縮水平（% MVC）是正相關的（相關系數 ：男性組，Pr = 0.977 ；女性組，Pr = 0.974）。通過回歸分析可知，它們之間的關系接近二次多項式關系（確定性系數：男性組，R2= 0.999 ；女性組，R2= 0.9985）。但從圖上看，標準差在大于 60% MVC 的收縮水平后有變大的趨勢。從multi-way ANOVA 的分析結果看，性別 ×% MVC 這兩個因素的交互作用對結果沒有顯著影響（P = 0.91）。性別和 % MVC分別作為主要因素對結果都具有顯著影響（性別影響：P = 0.011 ；% MVC 影響 ：P ＜ 0.001）。由估測邊際均值可知，在相同的相對收縮水平下，男性組的肌肉硬度大于女性組。同時，隨著 % MVC 水平的增高，肌肉硬度顯著增加。這一結果與從圖2得出的直觀結果是一致的。

圖2 兩組受試者（男性組Male，女性組Female）肌肉剪切模量的均值（標準差）與不同% MVC肌肉相對收縮水平間的關系

4 討論

除了使用機械振動器，還可以使用聚焦超聲來產生剪切波。其優點是振源可以比較精確地定位于某一特定的深度，剪切波將從這一點傳播到周圍組織，不易受界面反射的影響。其缺點是受輻射能量的限制，產生的振動幅度比較小，在較深的組織中難以被探測到。機械振動法可以產生更大的振幅，頻率也可以精確地控制。因此，組織中的應變波形可以容易地被跟蹤和過濾以去除噪聲。然而，剪切波從皮膚表面傳播到內部組織的過程中，可能發生折射和反射等現象，特別是當骨骼和肌肉呈現比較復雜的幾何形狀時[10]。這將改變應變波形，增大時間延遲測量結果的誤差。

新的測量方法要求剪切波在被測肌肉中的傳播模式為較規整的平面波。根據文獻，在不同位置使用不同形狀的振動頭激勵肌肉時，剪切波的傳播模式是不同的。平面波模式出現在用短棒狀的振動頭直接激勵大尺寸肌肉的肌腹時，因為此時肌纖維是平行排列并且被同時激勵[11]。股中間肌具有較大的尺寸，平坦的形狀，肌纖維幾乎沿同一軸線平行排列，研究方向上的折射和反射現象可大大減少。在研究中，我們發現，相比股直肌，在股中間肌的深度觀察到的平面波形態更加均勻規整，這可能與剪切波在股直肌深度受到從皮膚和筋膜兩個界面反射回波的影響有關。所以最終我們選擇了股中間肌作為研究目標。

在我們的結果中，收縮水平超過 60% MVC 之后，兩組受試者剪切模量的標準差都有增大的趨勢。這可能是由于，在高收縮水平下，隨著剪切波速的增大，所測時間延遲縮短，時間分辨率受到幀頻的限制，對結果的影響相應增加。但也有可能是由于肌肉為了保持高水平的等長收縮，其活躍程度本身的變化區間增加所致。我們還需要進行進一步的研究，來確定這一偏差增長的趨勢是由肌肉的固有屬性引起的，還是由測量系統的局限性造成的。

綜上所述，我們的研究結果表明，股中間肌沿肌纖維方向上的剪切彈性模量與其相對等長收縮水平（% MVC）是正相關的。此外，男性的肌肉硬度在同樣的 % MVC 收縮水平上大于女性。這些結果有助于增進我們對肌肉功能和屬性的進一步了解，同時新的測量方法也提供了用于力量訓練或者臨床情況下肌肉評估的又一工具。我們進一步的目標是在肌肉收縮過程中實時提供肌肉的彈性值，從而得到彈性聲肌圖（sonomyography）[12-14]。

致謝

本研究由香港研究資助局（PolyU 5331/06E）和香港理工大學（J-BB69）資助完成。筆者同時向所有參加本研究的志愿受試者表示衷心感謝。

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Measurement of Muscle Stiffness Based on a Vibro-ultrasound Method

WANG Cong-zhi, ZHENG Yong-ping
Department of Health Technology and Informatics, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China

Existing methods for muscle stiffness measurement have their unique features and limitations in in vivo studies. Few studies have been reported to evaluate the muscle stiffness at the higher percentage of maximum voluntary contraction levels (＞40% MVC). In this study, using a newly developed vibro-ultrasound method, we assessed the shear modulus of vastus intermedius from 0% to 100% MVC. Ten young healthy male subjects and ten young healthy female subjects volunteered to participate. Our results demonstrated that the stiffness of vastus intermedius in the direction along the muscle fibers is positively correlated with the isometric contraction levels at both joint angles and there is a quadratic relationship between them. At the same contraction level, the muscle shear modulus of males was larger than that of females.

skeletal muscle; soft tissue stiffness; shear modulus; isometric contraction; ultrasound; sonomyography

R445.1

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.01.008

1674-1633(2011)01-0030-04

2010-11-01

香港研究資助局（PolyU 5331/06E）和香港理工大學（J-BB69）基金項目支持。

鄭永平，教授。

通訊作者郵箱：ypzheng@ieee．org